专利名称：校准非振动式接触电势差测量结果以检测垂直于传感器运动方向的表面变化的制作方法
技术领域：
本发明涉及用来检查包括半导体表面和半导体材料在内的表面和材料的方法和 系统。更为具体而言，本发明涉及利用振动式和非振动式接触电势差传感器检测并测量 表面或亚表面的非均勻性和/或电荷的方法，从而在整个表面上建立任何非均勻性的精 确存在关系。
背景技术：
半导体设备的功能、可靠性和性能取决于使用清洁且均勻的半导体材料和表 面。数亿资金和无数人工已经花费在研发、表征并优化用来制造和处理半导体材料的系 统和工艺。这些工作的首要目的是制造极其清洁的材料和表面，这些材料和表面具有在 整个晶片范围内均勻或均勻变化的预定属性和期望属性。为了表征并优化这些工艺和得 到的材料，需要能检查并测量表面或主体的清洁度和均勻度。为了实时过程控制，需 要能在表面范围内高速进行许多测量，并且采用不会损坏或污染半导体表面的方式来实 现。检查并测量表面的一种方法是采用非振动式接触电势差传感器。非振动式接触 电势差传感器由半导体探头构成，该探头被定位靠近表面并电连接到该表面。探头和表 面形成电容。由于两种材料的逸出功或表面电势不同，所以在探头尖端和表面之间形成 电势。这种电势称为两个表面之间的接触电势差，或者表面电势差。探头尖端平行于该 表面平移，或者该表面在探头下平移。表面上不同点的逸出功或表面电势变化，导致该 表面和探头尖端之间的接触电势差发生变化。这种电势变化导致电流流入或流出传感器 探头尖端。这种电流被放大，转化成电压，并被采样以形成表示被测表面范围内电势变 化的连续数据流。非振动式接触电势差传感器可以以大于100000次采样每秒的速率提供 连续数据流。高速的数据获取速率允许在短短几分钟内获得所有半导体晶片的高分辨率 图像。非振动式接触电势差传感器产生的信号是被测表面两种特征的结合——逸出功 变化和表面高度变化。探头尖端的电荷由下式确定Q = CV(1)其中Q是探头尖端上的电荷，C是探头尖端和被测表面之间的电容，而V是探 头尖端和该表面之间的接触电势差。进入探头尖端的电流i是探头尖端上的电荷的导数，并且由下式给出
电流i是两项之和dV/dt项和dC/dt项。dV/dt项表示探头尖端和晶片表面之 间的电压变化，而dC/dt项表示探头尖端和晶片表面之间的电容变化。探头尖端的电势在 扫描操作过程中固定，所以dV/dt项的变化来源于被测表面范围内的电势变化。dC/dt项 的变化来自探头尖端和晶片表面之间的距离变化，这通常来自晶片表面的高度变化。在 大多数晶片表面扫描应用中，通过控制晶片表面上方探头尖端的高度、最小化晶片表面 高度变化和/或通过施加DC偏置电压最小化探头尖端和晶片表面之间的平均电压，从而 使来自电容变化的信号最小化。因此，电容信号可以忽略和可以不予考虑。非振动式接触电势差传感器的一个重要特征是，它产生的数据是差分数据，这 意味着它产生表示被测表面范围内表面电势或逸出功的差异或变化的数据。传感器的输 出表示在传感器探头尖端相对于该表面的行进方向上的表面电势变化。传感器输出并不 包括与传感器探头行进方向垂直或正交的方向上表面电势变化的任何数据。而且，传感 器输出并不提供与探头尖端和被测表面之间任意一点的绝对电势差有关的数据。该传感 器输出仅包含有关表面电势变化的信息。非振动式接触电势差传感器依赖探头尖端和被测表面之间的相对运动来产生信 号。平行于晶片表面移动传感器探头尖端以产生信号的动作称为扫描。有许多可选方案 用于在探头尖端和晶片表面之间产生扫描运动。例如，晶片可以保持固定而探头尖端可 以在晶片表面上方往复移动以产生数据的线性“轨迹”，其中轨迹是连续的一系列顺序 数据样本。多条线性轨迹可以组合成被扫描表面的图像。或者，探头可以保持固定而晶 片在传感器探头尖端下方往复移动。这类扫描，无论是传感器还是晶片往复移动以产生 一系列平行线性扫描，通常称为光栅扫描。用来产生扫描运动的另一种可选方案是在传 感器探头尖端下方旋转晶片，并且沿着晶片半径移动传感器或晶片，从而在距离晶片中 心不同的半径处获取一系列同心圆轨迹。这些同心圆轨迹然后可以组合成被扫描表面的 图像。这类扫描操作通常称为径向扫描，因为探头尖端沿着晶片半径移动。利用径向扫描，晶片的旋转运动在探头尖端和被测表面之间提供相对运动而不 需要光栅扫描操作中需要的强烈加速和减速。光栅扫描要求加速探头或晶片到所需的扫 描速度，获取单一数据轨迹，然后减速并沿着相反方向再次加速探头或晶片。对于径向 扫描，晶片可以以固定或缓慢变化的速度旋转，并且传感器可以以较小的加速度从一条 径向轨迹向下一条径向轨迹移动较小的距离。因此，相比光栅扫描，其可以在更短的时 间周期内扫描晶片表面，而且振动更小并且功耗更低。非振动式接触电势差传感器信号的差分性质意味着仅在探头经过晶片表面上表 面电势从一个位置到另一个位置发生变化的一部分表面时，才产生信号。如果传感器从 具备一个表面电势值的区域移动到具备另一表面电势值的区域，则仅在两个区域的过渡 部分(边缘)才产生信号。差分传感器信号与沿着探头运动方向的表面电势变化成比例。 然而，通过对传感器信号积分，这种差分信号可以转化为一个新的信号，这个新的信号 是相对表面电势的线性函数。积分通过计算连续样本的累积和得到。所述积分信号提 供有关探头运动方向上相对表面电势的信息，但是并未提供有关垂直于运动方向的表面 变化的任何信息，也没有提供接触电势差绝对值的量度。作为扫描运动的结果，在缺乏用于确定正交变化的额外测量的情况下，任何正交变化都无法检测。在光栅扫描的情况 下，有关正交变化的数据可以通过实施两次扫描操作来获得两个正交方向每个方向一 次。但是，这种操作要求两次扫描该表面，使得扫描时间加倍。在径向扫描的情况下， 扫描机构不太容易沿着两个正交方向扫描晶片表面上的每个点。因此，探头相对于晶片 表面的圆形运动在检测径向变化的表面非均勻性方面，效果并不好。接触电势差中的这 种径向变化可能来源于各种晶片加工步骤。例如，由单次晶片清洁或等离子处理操作导 致的介电充电可能产生径向电荷图案，这种径向电荷图案无法由非振动式接触电势差传 感器利用径向扫描方法检测到。如上所述，非振动式接触电势差传感器产生差分数据，差分数据可以积分以产 生表示所述表面范围内相对接触电势差的数据。还可以利用振动式接触电势差测量操作 校准积分的非振动式接触电势差数据。振动式接触电势差传感器通常称为Kelvin探头， 或者Kelvin-Zisman探头。这种传感器在探头尖端和被测表面特定点之间产生以伏特计的 绝对接触电势差测量结果。但是，振动式接触电势差测量相比非振动式接触电势差测量 非常缓慢，并且这种技术并不适合以生产速度进行全晶片成像。通过计算被测表面上多 个点的Kelvin探头测量结果和相同点上积分的非振动式接触电势差值之间的线性转换， 积分的非振动式接触电势差测量结果可以被转换以产生绝对接触电势差值。可以利用诸 如最小二乘方线性拟合的技术计算出最佳拟合的线性转换。一旦计算出最佳拟合的线性 转换，便可以应用于积分的非振动式接触电势差图像中的所有点。这种技术提供全部被 扫描点的绝对接触电势差值的近似值，并且比利用振动式接触电势差传感器测量整个晶 片表面的速度快很多。但是，积分的非振动式数据仍然不包括有关垂直于探头尖端运动 方向的表面电势变化的任何信息。因此，积分并转换的数据将不包括有关垂直于扫描探 头运动方向的表面电势变化的信息，并且如果在该方向上存在显著的表面电势变化，得 到的数据将不正确。表面电势的这种正交变化对于被径向扫描的晶片来说是普遍存在 的，因为如上所述，表面电势的显著径向变化可能产生于常见的半导体制造过程。如果 存在显著的径向变化，则振动式Kelvin探头测量结果与积分的径向扫描非振动式接触电 势差数据之间的相关系数将比较小，因为积分的非振动式接触电势差图像将不包括表面 电势的这种显著径向变化。
发明内容
本发明所述的系统和方法提供了结合振动式和非振动式接触电势差检查系统的 改进应用，该检测系统允许对表面快速成像和沿着非振动式(扫描)探头运动方向以及 垂直于非振动式探头运动方向检测表面电势非均勻性。对于利用径向扫描系统以非振动 式探头扫描的表面上的径向非均勻性检测来说，这种能力特别有用。在下文中，能利用 文中所述系统检查的材料将统称为“晶片”。在优选应用中，例如为了评估传统硅单晶 片，对于经受不同处理条件的4种不同的晶片，在下文中描述了各种示例。本发明包括 振动式和非振动式接触电势差测量能力。振动式接触电势差测量能力提供有关探头尖端 和晶片表面上各点之间的绝对接触电势差的数据，而非振动式接触电势差测量能力提供 有关晶片表面范围内接触电势差变化的数据。所述装置由下述构成能进行振动式和非 振动式接触电势差测量的传感器或多个传感器的关联系统；用于机械地固定所述晶片的系统；用于将传感器定位在晶片表面上方固定距离并在探头尖端和晶片表面之间产生相 对运动的系统，这样传感器探头尖端平行于晶片表面移动；用于向传感器探头尖端或晶 片表面施加偏置电压的系统；用于垂直于晶片表面振动传感器探头尖端的系统；以及用 于获取并处理所述传感器或多个传感器的输出信号以识别非均勻性并对其分类的系统。所述系统进一步具备这样的能力，即向传感器探头尖端或晶片表面施加偏置电 压，以改变探头尖端和晶片之间的电势。在这种情况下，等式(2)中的dC/dt项包括偏 置电压，如下式所示
权利要求
1.一种确定材料表面接触电势差以表征所述表面的性能的方法，包括步骤提供材料表面；提供具有传感器探头尖端的接触电势差传感器；相对于彼此扫描所述表面和所述接触电势差传感器；所述传感器探头尖端相对于材料表面横向扫描，产生表示所述传感器探头尖端和材 料表面之间接触电势差变化的横向扫描传感器数据；处理所述横向扫描传感器数据，以提供相对接触电势差值；利用振动式接触电势差传感器对所述横向扫描表面的绝对接触电势差进行至少一次 测量；以及利用所述绝对接触电势差数据来计算偏移量，所述偏移量增加到所述相对接触电势 值中，以产生表示所述传感器探头尖端和所述横向扫描表面上的所有点之间的接触电势 差的特征数据，由此来表征所述材料表面的性能。
2.如权利要求1所述的方法，其中，处理所述横向扫描传感器数据的步骤包括对所述 横向扫描传感器数据进行积分，以产生积分数据。
3.如权利要求2所述的方法，其中，处理所述横向扫描传感器数据的步骤包括将所述 积分数据乘以缩放因子，从而将所述横向扫描传感器数据转化为相对接触电势差值。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述横向扫描运动通过旋转晶片而产生。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述横向扫描传感器数据以同心圆轨迹数据的形 式提供。
6.如权利要求1所述的方法，其中，进行振动式接触电势差测量的步骤包括累加不同 轨迹上的数据。
7.如权利要求1所述的方法，进一步包括步骤分析所述特征数据，以确定垂直于 扫描过程中所述探头尖端行进方向的表面接触电势差的变化。
8.如权利要求1所述的方法，进一步包括步骤让所述材料表面接受多种不同的处 理，并且表征所述材料表面，以积累与每种不同处理关联的相关数据，从而能够为所述 材料产生预定的表面品质。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述相关数据进一步用于对使多种材料具有所述 预定表面品质的生产进行预编程。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述不同的处理选自清洁过程、化学 处理过程和物理处理过程。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述清洁过程选自采用去离子清洗 进行清洁和采用等离子处理步骤进行清洁。
12.一种确定材料表面接触电势差以表征表面属性的方法，包括步骤提供材料表面；提供具有传感器探头尖端的接触电势差传感器；相对于彼此扫描所述表面和所述接触电势差传感器；所述传感器探头尖端相对于材料表面横向扫描，产生表示所述传感器探头尖端和材 料表面之间接触电势差变化的第一组横向扫描传感器数据；产生表示所述材料表面范围内接触电势差变化的第二组横向扫描传感器数据，所述第二组传感器数据通过垂直于第一组传感器数据横向扫描方向移动所述接触电势差传感 器而产生；处理所述第一组和第二组传感器数据以确定相对接触电势差值；利用振动式接触电势差传感器对所述横向扫描表面的绝对接触电势差进行至少一次 测量；以及利用所述绝对接触电势差数据来计算偏移量，所述偏移量增加到所述积分并缩放的 非振动式相对接触电势差数据值中，以产生表示所述传感器探头尖端和所述横向扫描表 面上的所有点之间的接触电势差的特征数据，由此来表征所述材料表面的属性。
13.如权利要求12所述的方法，其中，处理所述横向扫描传感器数据的步骤包括对所 述横向扫描传感器数据进行积分，以产生积分数据。
14.如权利要求12所述的方法，其中，处理所述横向扫描传感器数据的步骤包括将所 述积分数据乘以缩放因子，从而将所述横向扫描传感器数据转化为相对接触电势差值。
15.一种制备用于电子元件的半导体晶片，至少其中一种处理方法包括步骤提供具有表面的半导体晶片；提供具有传感器探头尖端的接触电势差传感器；相对于彼此扫描所述半导体晶片表面和所述接触电势差传感器；所述传感器探头尖端相对于半导体晶片表面横向扫描，产生表示所述传感器探头尖 端和半导体晶片表面之间接触电势差变化的横向扫描传感器数据；处理所述横向扫描传感器数据，以提供相对接触电势差值；利用振动式接触电势差传感器对所述横向扫描表面的绝对接触电势差进行至少一次 测量；以及利用所述绝对接触电势差数据来计算偏移量，所述偏移量增加到所述相对接触电势 值中，以得到表示所述传感器探头尖端和所述横向扫描表面上的所有点之间的接触电势 差的特征数据，由此来表征所述半导体晶片表面的属性。
16.如权利要求15所述的方法，其中，处理所述横向扫描传感器数据的步骤包括对所 述横向扫描传感器数据进行积分，以产生积分数据。
17.如权利要求16所述的方法，其中，处理所述横向扫描传感器数据的步骤包括将所 述积分数据乘以缩放因子，从而将所述横向扫描传感器数据转化为相对接触电势差值。
18.如权利要求15所述的方法，进一步包括步骤分析所述特征数据，以确定垂直 于扫描过程中所述探头尖端行进方向的表面接触电势差变化。
19.如权利要求15所述的方法，进一步包括步骤让所述半导体晶片表面接受多种 不同的处理，并且表征所述半导体晶片表面，以积累与每种不同处理关联的相关数据， 从而能够为所述半导体晶片产生预定的表面品质。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述相关数据进一步用于对使多种半导体晶片 具有所述预定表面品质的生产进行预编程。
全文摘要
一种利用非振动式接触电势差探头和振动式接触电势差探头确定晶片表面接触电势差的方法和系统。所述方法和系统涉及利用非振动式接触电势差传感器扫描晶片表面，将产生的数据积分并缩放，并向个别数据轨迹应用偏移量，从而将积分并缩放的数据与利用振动式接触电势差传感器获得的测量结果匹配。
文档编号H01L21/66GK102017117SQ200980115697
公开日2011年4月13日 申请日期2009年4月28日 优先权日2008年5月2日
发明者威廉·R·厄斯里, 马克·A·舒尔策 申请人:Q概念技术公司